Дослідження дефектів підшипникових вузлів гідротурбіни

Етап 2. Починаючи з точки "2" на рис. 1.2 ударні імпульси в підшипнику  
досягають за своєю енергією практично максимального значення. Кількісне значення максимуму енергії імпульсів визначається типом підшипника і умовами його експлуатації. Енергія імпульсів, що виділяється в підшипнику, вже настільки велика, що її достатньо для розширення зони локалізації дефекту. На даній стадії зупинити подальший розвиток дефекту практично неможливо, почався його саморозвиток. Величина піків вібрації на часовому вібросигналі вже практично не зростає, але і рівень фону теж змінюється мало. "Дефект набирає силу, готуватися до вирішального нападу".      

Етап 3. Це зона переходу підшипника до повної деградації. Починається з  
точки "3".  Зона розвитку дефекту настільки велика, що підшипник починає "втрачати" своє основне призначення – забезпечувати обертання валів з мінімальним тертям. Зростають витрати енергії на обертання ротора і, як результат, збільшується  енергія, що виділяється в підшипнику, зростає рівень фону. Це вже етап саморуйнування підшипника.       

Етап 4. Це останній етап розвитку дефекту, коли він охопив увесь підшипник, точніше кажучи все те, що залишилося від підшипника. Рівень фону вібрації практично зрівнявся з рівнем піків, точніше кажучи вся вібрація складається з піків. Роботи підшипників у цій зоні слід уникати.      

Етап 5. Це етап очікування аварії, частіше за все з великими наслідками.  
     Всі ці перераховані вище етапи погіршення стану підшипника властиві практично для всіх видів дефектів, що мають місце в будь–яких різновидах підшипників.  Залежно від ряду експлуатаційних параметрів підшипників можуть спостерігатися лише відмінності в тривалості етапів і інтенсивності процесів у них, але загальна картина розвитку не змінюється.      

 

 

1.3. Методи діагностики дефектів підшипників 

 

 

     Для оцінки технічного стану та діагностики дефектів підшипників кочення різними фірмами розроблено досить багато різних методів.     

У загальному випадку оцінка технічного стану і пошук                                    дефектів підшипників кочення може здійснюватися:       

1. За СКЗ віброшвидкості. Даний метод дозволяє виявляти дефекти підшипників на останніх стадіях їх розвитку, починаючи, приблизно, з середини третього етапу розвитку дефекту, коли загальний рівень вібрації значно зросте. Вимагає мінімальних технічних витрат і не вимагає спеціального навчання персоналу.  
     2. За спектром вібросигналу. Даний метод застосовується на практиці досить часто, оскільки дозволяє виявляти, поряд з діагностикою підшипників, велику кількість інших дефектів обладнання. Цей метод дозволяє починати  діагностику дефектів підшипників приблизно з середини другого етапу розвитку дефектів, коли енергія резонансних коливань виросте настільки, що буде помітна в загальній картині частотного розподілу всієї потужності вібросигналу. 

     Для реалізації даного методу необхідний гарний спектроаналізатор і  підготовлений персонал.      

3. За співвідношенням пік/фон  вібросигналу. Кращі різновиди даного методу дозволяють виявляти дефекти підшипників кочення на досить ранніх стадіях. 
     4. За спектром огинаючої сигналу. Даний метод дозволяє виявляти дефекти  
підшипників на ранніх стадіях. Теоретично цей метод діагностики дефектів підшипників кочення може  базуватися і на аналізі акустичних сигналів, і на аналізі вібросигналів:  
     – аналіз випромінюваної спектральної енергії використовує спеціальний датчик акустичної емісії. Далі відфільтрований сигнал подається на аналізатор спектру.     

 – діагностика за спектром огинаючої вібросигналу. Цей метод, великий внесок у розвиток якого внесли російські діагности, в даний час вважається вже класичним методом для аналізу вібросигналів з підшипників кочення.     

Всі вище перераховані методи розрізняються не тільки теоретичними  передумовами, покладеними в їх основу. Вони розрізняються типом  використовуваного  обладнання, його вартістю, необхідною підготовкою персоналу і звичайно своєю ефективністю. Чим на більш ранній стадії і більш вірогідно необхідно виявляти дефекти підшипників, тим зазвичай дорожче це коштує

  

 
     1.4. Діагностика дефекту підшипника за спектрами вібросигналів 

 

 

     Використовуємо спектроаналізатор для визначення дефекту і прилад повинен відповідати наступним вимогам. Прилад повинен обов'язково мати високу роздільну здатність, не менше, ніж 3200 ліній в спектрі. В іншому випадку при розподілі потужності вузького ударного піку дефекту, при досить широкій спектральній смузі, призведе до різкого заниження рівня характерної гармоніки і до неможливості її використання в діагностиці.      

Розглянемо особливості прояву дефектів підшипників на спектрах вібросигналів.  Їх декілька: 

     – наявність на часовому вібросигналі явно виражених періодичних ударних процесів;  
     – наявність в спектрі вібросигналу великої кількості несинхронних компонент, або, беручи за базу зворотну частоту ротора, гармонік з дробовими номерами. Частоти цих гармонік визначаються підшипниковими співвідношеннями;  
     – наявність в спектрі широкосмугових енергетичних горбів поблизу підшипникових частот і частот власних резонансів елементів механічної конструкції.  
     Безпосередньо при діагностиці дефектів підшипників кочення за допомогою спектрів вібросигналів можна виявити три типи можливих, що найчастіше зустрічаються типи спектрів вібросигналів, що відповідають різним етапам розвитку дефектів.  
     Перша стадія. Перші ознаки дефектів на спектрі вібросигналів виникають тоді, коли дефект підшипника розвинеться до такої стадії, що енергія, яка виділяється ним, стане порівняно помітною в загальній енергії вібрації підшипника.  Приклад спектру початкової стадії наведено на рис. 1.3. 

 
  

Рисунок 1.3 –  Спектр вібрації на початковій стадії діагностики дефекту підшипника кочення

 
     У цьому спектрі, поряд з першими, механічними, гармоніками зворотної частоти обертання ротора, з'являється пік на характерній частоті дефекту того або іншого елемента підшипника. На цій стадії характерна гармоніка вже добре видна на спектрі і дозволяє досить точно виявляти дефектний елемент.      

За амплітудою пік характерної гармоніки вже можна порівняти з амплітудою першої або другої гармоніки зворотної частоти ротора, але за своєю потужністю ще багато поступається їм. На спектрі це виражається тим, що пік підшипникової гармоніки є дуже вузьким.      

Ця стадія завершується тоді, коли амплітуда характерної гармоніки уже не зростає, а поруч з нею, дуже близько, з'являється перша пара бічних гармонік зліва і справа. Це означає, що почався етап розширення зони дефекту в підшипнику.  
     Друга стадія. На цій стадії значно збільшується внесок у загальну вібрацію складової від дефекту підшипника. Підшипникова гармоніка збільшує свою потужність до такого значення, що її можна порівняти з основними механічними гармоніками – першою і другою. Результатом наявності у вібросигналі двох, як мінімум, гармонік – синхронної і несинхронної приблизно однакової потужності збуджує в агрегаті частоти биття. Ці частоти биття проявляються на спектрі у вигляді бічних смуг поблизу характерної підшипникової гармоніки. У міру зростання потужності підшипникової гармоніки з розширенням зони дефекту число бічних смуг і їх потужність поступово зростає.      

Подальший розвиток дефекту призводить до появи гармонік від характерної підшипникової частоти. Зазвичай з'являються гармоніки з номером два і три від основної частоти підшипникового дефекту. Поруч з кожною такою гармонікою зліва і справа теж будуть мати місце бічні частоти, число пар яких може бути досить великим.Чим більш розвинений дефект, тим більше бічних гармонік і у гармонік частоти дефекту.       

Третя стадія. Це остання стадія розвитку дефектів підшипника. Наприкінці цієї стадії підшипник вже повністю деградував і перестав виконувати свої прямі функції – забезпечувати обертання валів при мінімальних витратах на тертя. Витрати на тертя великі і обертання ротора затруднено.

 

Рисунок 1.4 – Спектр вібрації на другій стадії діагностики дефекту підшипника кочення

 

 

     Розвиток дефекту підшипника на цій стадії, при контролі за спектрами вібросигналів, проходить наступним чином. Знос підшипника досягає такої стадії, коли характерна частота дефекту через знос стає нестабільною, така ж доля спіткає бічні гармоніки. Накладання багатьох родин гармонік, кожна з яких складається з основної частоти і бічних гармонік, створює досить складну картину. Якщо в цих родинах основні гармоніки розрізняються за частотою трохи, то сума всіх частот представляє із себе загальне підняття спектру, "енергетичний горб", захоплюючий такий діапазон частот, куди входять усі гармоніки всіх родин від всіх уже існуючих дефектів підшипника кочення.      

На загальному фоні  "енергетичного горба" можуть підноситися окремі гармоніки, але зазвичай всі вони носять випадковий характер і вже практично нічого не відображають. Вони просто збільшують потужність, зосереджену в цьому частотному діапазоні "енергетичного горба".      

Практично вся потужність вібросигналу зосереджена не в зоні механічних гармонік, а в зоні характерних гармонік, що відповідають дефектам підшипника кочення, які мають місце. Правда на цьому етапі таких дефектів вже багато, і це зрозуміло, підшипника вже практично немає. Для ілюстрації цієї стадії на рис. 1.5 наведено спектр вібросигналу. На рисунку досить добре видно всі перераховані вище особливості діагностування третьої стадії розвитку дефекту. 

Рисунок 1.5 –  Спектр вібрації на третій стадії діагностики дефекту підшипника кочення  
     

Крім того в діапазоні гармонік, властивих механічному ослабленню і збільшеному зазору в підшипнику піднімається ліс цілих гармонік зворотної частоти. Всі вони за своїми параметрами відповідають вищеназваним механічним причинам. 

 
    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВИБІР МЕТОДУ АНАЛІЗУ ТА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ  ВИМІРЮВАЛЬНОГО КАНАЛУ

 

 

     2.1. Вплив шумів на спектральний аналіз

 

 

     В даний час широко застосовується метод обробки результатів вібраційних  вимірювань з допомогою швидкого перетворення Фур'є (ШПФ). Однак у деяких випадках застосування ШПФ малоефективне.  Зокрема, у разі невідповідності інтервалу квантування сигналу і максимальної частоти для довгих спектрів (близько 400 ліній) краще використовувати модифікований метод обробки даних на основі нових сучасних алгоритмів моніторингу машинної вібрації. У таких програмах число осереднень досить велике (близько 8) і встановлюється після попереднього аналізу даних. Для сигналів вібрації, ускладнених шумами, при традиційній методиці обробки даних можливе генерування помилкових сигналів тривоги. 

Новий модифікований метод обробки даних дозволяє вирішити цю проблему.  
     Кількість осереднень – специфічна константа середовища. Часова та частотна характеристики сигналу, що містить одну дискретну частотну складову при високому рівні шуму, показано на рис. 2.1.  У нижній частині рис. 2.1 наведено спектр сигналу після восьми осереднень. В даному випадку аналіз 400 ліній спектра при восьми осередненнях  дозволив одержати достовірні дані. 

     Амплітудні характеристики дискретного сигналу після восьми осереднень показані на рис. 2.2. 

Рисунок 2.1 – Часова та частотна характеристики сигналу, що містить одну дискретну частотну складову

 

Рисунок 2.2 – Амплітудні характеристики дискретного сигналу після восьми усереднень 

Де позначено: 1 – усереднення  +3 , 2 – вимірювальні дані, 3 – вхідна амплітуда,     4 – усереднення –3 .  Тестування було повторено 10 разів. Близько 99% даних потрапляє в інтервал ±3 .  Було встановлено, що при вимірюванні в інтервалі 8,5–9,7 можна на 14% збільшити амплітуду сигналу. 

      Часова та частотна характеристики сигналу при 64 осередненнях показані на рис. 2.3: 

Рисунок 2.3 – Часова та частотна характеристики сигналу при 64 осередненнях  
 
      Відповідні графіки амплітуди сигналу показані на рис. 2.4:   

 

Рисунок 2.4 – Графіки амплітуди сигналу  

де позначено: 1 – осереднення  +3 , 2 – вимірювальні дані, 3 – вхідна амплітуда,     4 – осереднення –3 .   Мінімальна і максимальна амплітуди сигналу відповідно рівні: 9,15 і 9,41.  Відзначено збільшення амплітуди на 2,8%. Наприклад, швидкість роботи тестованої машини змінна, тоді обробка даних методом ШПФ з осередненням на основі вікон Ханнінга дозволить збільшити амплітуду на 14% в частотному діапазоні від краю до центру селективної смуги.

   

 

 2.2. Застосування методу послідовного усереднення для виділення корисного сигналу на тлі шумів

 

Вібраційний сигнал знімається безпосередньо з акселерометра, що встановлюється на кожусі зубчастої передачі. Метод послідовного усереднення дозволяє ефективно виділити корисний сигнал на тлі перешкод, як це показано на рис. 2.5.   
     З рис. 2.5, видно, що по усередненому графіку чітко видно різницю між зубцями, у той час як по спектру сигналу такі відмінності непомітні.       

Інверсне ШПФ – дуже ефективний метод обробки, який, однак, застосовується досить рідко. Для прикладу розглянута послідовність з початковим числом квантів на вході 1024. Застосування ШПФ забезпечує можливість розрахунку 512 ліній

Рисунок 2.5 – Метод послідовного усереднення

 

 

Рисунок 2.6 – Приклад аналізу несинхронізованого сигналу

 

спектру (для зменшення імовірності втрати інформації через недостатню дискретизацію). Зазвичай буває достатньо 400 ліній. При завданні 512 ліній спектру і фазових кутів результат можна отримати з високим ступенем вірогідності. Відповідно, інверсне ШПФ для 512 реальних і уявних 512 спектральних характеристик дозволяє достовірно реконструювати вихідний сигнал для 1024 квантів в часовому просторі.  Однак перед проведенням інверсного ШПФ необхідно провести попередню обробку даних. Вихідна характеристика сигналу в часовому просторі, що представляє собою комбінацію з трьох дискретних складових і шуму, показана на рис. 2.7: